嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

為了滿足航空電子對高可靠性、高可用性以及高服務(wù)性的要求, 1997年1月ARINC發(fā)布了ARINC653（航空電子應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)接口），并于2003年7月發(fā)布ARINC653 Supplement 1，對區(qū)間管理、區(qū)間通信及健康監(jiān)測部分進(jìn)行了補(bǔ)充說明，用以規(guī)范航空電子設(shè)備和系統(tǒng)的開發(fā)。

隨即，國外各大嵌入式開發(fā)商相繼推出此類支持ARINC653，具有內(nèi)核和應(yīng)用保護(hù)機(jī)制的操作系統(tǒng)。但在國內(nèi)的嵌入式領(lǐng)域，這樣的研究還有一定差距?；诖耍疚奶岢隽艘环N航空電子嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（A-RTOS，Avionics RTOS）的一種設(shè)計(jì)思路，并在具有MMU和支持高級保護(hù)模式的目標(biāo)板上完成了實(shí)現(xiàn)。

航空電子標(biāo)準(zhǔn)ARINC653

ARINC653主要闡述了模塊化綜合航空電子設(shè)備IMA(Integrated Modular Avionics)使用的應(yīng)用軟件的基線操作環(huán)境。它定義了航空應(yīng)用與下層操作環(huán)境之間的接口和數(shù)據(jù)交換的模式以及服務(wù)的行為，并描述了嵌入式航空電子軟件的運(yùn)行時(shí)環(huán)境。

ARINC653 Supplement 1對ARINC653的補(bǔ)充主要包括以下幾點(diǎn):在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，提出了System Partition的概念，明確區(qū)間上的應(yīng)用調(diào)度應(yīng)該是區(qū)間級別的，這些應(yīng)用共享區(qū)間資源;區(qū)間管理方面，闡述區(qū)間調(diào)度中主時(shí)間框架的定義原則，并補(bǔ)充了區(qū)間模式的變遷過程;對區(qū)間間通信的原則進(jìn)行更為詳盡的說明;增加關(guān)于健康監(jiān)測的錯(cuò)誤級別和錯(cuò)誤處理的解釋。

軟件構(gòu)成

航空電子中的核心模塊軟件包括兩類:應(yīng)用軟件和核心軟件。位于應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)OS之間的APEX(APplication EXecutive)接口，定義了系統(tǒng)為應(yīng)用軟件提供的一個(gè)功能集合。利用這個(gè)功能集合，應(yīng)用軟件可以控制系統(tǒng)的調(diào)度，通信和內(nèi)部狀態(tài)信息。APEX接口相當(dāng)于為應(yīng)用提供的一種高層語言。而對于OS來說，是關(guān)于參數(shù)和入口機(jī)制的定義。

圖1給出了ARINC653中各部分之間的關(guān)系。

分區(qū)和區(qū)間管理

分區(qū)（Partitioning）是ARINC653中一個(gè)核心概念。在IMA(Integrated Modular Avionics)系統(tǒng)中，一個(gè)核心模塊會(huì)包含一個(gè)或多個(gè)航空電子應(yīng)用，并且這些應(yīng)用要能夠獨(dú)立運(yùn)行。分區(qū)就是航空電子應(yīng)用中的一個(gè)功能劃分。分區(qū)的單位稱為區(qū)間，區(qū)間內(nèi)的每一個(gè)執(zhí)行單元稱為進(jìn)程。每一個(gè)區(qū)間具有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)、上下文和運(yùn)行環(huán)境，這樣做的好處是能夠防止一個(gè)區(qū)間的錯(cuò)誤影響到其他區(qū)間。另外，它能使得整個(gè)系統(tǒng)容易驗(yàn)證、確認(rèn)和認(rèn)證。

區(qū)間化以及區(qū)間的管理和調(diào)度是由OS來實(shí)現(xiàn)的。ARINC653為區(qū)間的調(diào)度規(guī)定了一種基于時(shí)間窗的循環(huán)調(diào)度算法。這種調(diào)度算法的原理如圖2所示。

圖2 基于時(shí)間窗的循環(huán)調(diào)度算法原理

為了完成各區(qū)間的周期性調(diào)度，由OS維護(hù)一個(gè)固定時(shí)間長度的主時(shí)間框架，該時(shí)間框架在模塊的運(yùn)行期內(nèi)周期性的重復(fù)。每個(gè)時(shí)間框架可以劃分為若干個(gè)時(shí)間窗口。系統(tǒng)利用一個(gè)事先確定的配置表,在規(guī)定的時(shí)間窗口內(nèi)激活對應(yīng)區(qū)間的運(yùn)行。這樣就能夠保證每個(gè)應(yīng)用在分配給它的時(shí)間周期內(nèi)訪問公共資源不被打斷。

ARINC supplement 1對主時(shí)間框架的時(shí)間定義原則進(jìn)行了補(bǔ)充。它規(guī)定主時(shí)間框架的大小應(yīng)該是核心模塊中所有區(qū)間周期的最小公倍數(shù)的正整數(shù)倍，并應(yīng)考慮到每個(gè)區(qū)間每次執(zhí)行的時(shí)間長度和執(zhí)行頻率。

在ARINC653 Supplement 1發(fā)布時(shí)又增加了系統(tǒng)區(qū)間屬性和啟動(dòng)條件屬性。區(qū)間的工作模式包括空閑，冷啟動(dòng)，熱啟動(dòng)和正常四種，如圖3所示。每個(gè)區(qū)間所需資源在系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)指定，在區(qū)間初始化完成時(shí)區(qū)間對象創(chuàng)建。OS在進(jìn)入運(yùn)行模式時(shí)啟動(dòng)應(yīng)用區(qū)間，然后區(qū)間進(jìn)入正常運(yùn)行模式。監(jiān)測管理功能在響應(yīng)致命錯(cuò)誤時(shí)將重啟區(qū)間或者停止區(qū)間的運(yùn)行。

圖3 區(qū)間狀態(tài)轉(zhuǎn)化模型

A-RTOS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

A-RTOS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。在此系統(tǒng)中，各個(gè)應(yīng)用工作在所屬區(qū)間的環(huán)境中,并且應(yīng)用和內(nèi)核及各個(gè)應(yīng)用之間都被保護(hù)墻隔離，無法相互破壞，從而保證了核心模塊的可靠性。

　　　　　　　　　　　　　圖4 A-RTOS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隔離和保護(hù)機(jī)制

隔離和保護(hù)是ARINC653首要強(qiáng)調(diào)的特性，也是必須解決的重點(diǎn)之一。A-RTOS主要采用兩種方式來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與內(nèi)核以及應(yīng)用之間的隔離和保護(hù)。

第一種方式是使用內(nèi)存管理單元MMU。通過MMU能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)化，并且對訪問權(quán)限進(jìn)行控制。這樣可以保護(hù)操作系統(tǒng)內(nèi)核不受應(yīng)用軟件有意或無意的破壞，也有效的防止了各應(yīng)用軟件之間的相互破壞。圖5給出了MMU的頁目錄／頁表方式的地址轉(zhuǎn)換流程。

圖5 頁目錄／頁表方式的地址轉(zhuǎn)換流程

第二種方式就是系統(tǒng)調(diào)用。A-RTOS為了實(shí)現(xiàn)對內(nèi)核及應(yīng)用之間的保護(hù)，提供了兩種運(yùn)行形態(tài):用戶態(tài)和系統(tǒng)態(tài)。其中操作系統(tǒng)內(nèi)核是運(yùn)行在系統(tǒng)態(tài)的。因此用戶態(tài)的應(yīng)用是不能夠直接調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核提供的功能接口的，必須通過TRAP系統(tǒng)調(diào)用方式來進(jìn)行。

此種方式下，當(dāng)用戶態(tài)的應(yīng)用需要調(diào)用內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，首先要執(zhí)行一組特殊的指令使系統(tǒng)進(jìn)入系統(tǒng)態(tài)以便執(zhí)行需要的系統(tǒng)調(diào)用，當(dāng)調(diào)用完成后，內(nèi)核將執(zhí)行另一組特征指令將系統(tǒng)返回到用戶態(tài)。

每種支持保護(hù)模式的系統(tǒng)都提供了專門的軟中斷命令來完成從用戶態(tài)進(jìn)入系統(tǒng)態(tài)的功能。系統(tǒng)掛接一個(gè)軟中斷處理函數(shù)，所有的系統(tǒng)調(diào)用都通過這個(gè)軟中斷進(jìn)入并以不同的參數(shù)值(即系統(tǒng)調(diào)用號(hào))來加以區(qū)分。

系統(tǒng)調(diào)用的另一種形式是稱為CALL-LIB的調(diào)用庫機(jī)制。此種機(jī)制類似于windows系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫，可以滿足動(dòng)態(tài)加載和更新組件的需要，也是A-RTOS的特點(diǎn)之一。

區(qū)間調(diào)度機(jī)制

ARINC653規(guī)定，區(qū)間調(diào)度模式的主要特征是:1）調(diào)度單元是區(qū)間；2）區(qū)間沒有優(yōu)先級；3）調(diào)度算法是預(yù)先確定的,按照固定的周期重復(fù),并且只能由系統(tǒng)集成者進(jìn)行配置。每個(gè)循環(huán)中，至少要為區(qū)間分配一個(gè)區(qū)間窗口。

在A-RTOS中，為了方便系統(tǒng)處理和能更好符合ARINC653規(guī)范，對以上規(guī)定進(jìn)行了一定程度的修訂:調(diào)度單元是區(qū)間和系統(tǒng)進(jìn)程;區(qū)間具有優(yōu)先級。但這些修訂不影響操作系統(tǒng)區(qū)間層POS以及應(yīng)用程序使用者，所以在外部特性上并不與ARINC653規(guī)定違背。

除此之外， A-RTOS還引入兩個(gè)系統(tǒng)區(qū)間:Kernel區(qū)間和Idle區(qū)間。Kernel區(qū)間優(yōu)先級最高，用于為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供支持;并且一些系統(tǒng)級進(jìn)程，也屬于Kernel區(qū)間，方便調(diào)度。Idle區(qū)間具有最低的優(yōu)先級，用于填充系統(tǒng)時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)中沒有其他區(qū)間可以運(yùn)行，就運(yùn)行Idle區(qū)間。

A-RTOS區(qū)間的調(diào)度原則是首先基于優(yōu)先級調(diào)度，對同一優(yōu)先級的區(qū)間可使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度或者基于時(shí)間窗的循環(huán)調(diào)度策略。

A-RTOS采用兩級調(diào)度機(jī)制。系統(tǒng)中具有區(qū)間的優(yōu)先級位圖和每個(gè)優(yōu)先級對應(yīng)的就緒鏈表，每個(gè)區(qū)間中也包含系統(tǒng)進(jìn)程的優(yōu)先級位圖和對應(yīng)的就緒鏈表。利用優(yōu)先級位圖和就緒鏈表，可以很容易的實(shí)現(xiàn)對區(qū)間和系統(tǒng)進(jìn)程的調(diào)度。圖6給出了這種調(diào)度模型。

圖6 A-RTOS的區(qū)間調(diào)度模型

調(diào)度模塊首先根據(jù)系統(tǒng)中的區(qū)間優(yōu)先級位圖和區(qū)間就緒鏈表來進(jìn)行區(qū)間調(diào)度，被調(diào)度到的區(qū)間再根據(jù)區(qū)間內(nèi)的進(jìn)程優(yōu)先級位圖和進(jìn)程就緒鏈表進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)程的調(diào)度。此方法相對于一級調(diào)度方式而言，能夠保證調(diào)度時(shí)間的確定性，系統(tǒng)調(diào)度時(shí)間不會(huì)因?yàn)閰^(qū)間和系統(tǒng)進(jìn)程的多少而發(fā)生變化，符合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的定義。

在進(jìn)行基于時(shí)間窗調(diào)度時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)區(qū)間實(shí)際上也會(huì)參與調(diào)度。Kernel區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間會(huì)計(jì)算在區(qū)間調(diào)度配置表中當(dāng)前區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間上。因此對于某應(yīng)用區(qū)間而言，它的運(yùn)行時(shí)間實(shí)際上會(huì)包含系統(tǒng)區(qū)間的運(yùn)行。

進(jìn)程池機(jī)制

在A-RTOS中，進(jìn)程池是指一組由系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)的進(jìn)程，這些進(jìn)程能夠?yàn)閼?yīng)用提供一組服務(wù)。應(yīng)用通過系統(tǒng)提供的調(diào)用接口對系統(tǒng)提出應(yīng)用請求，系統(tǒng)把應(yīng)用的請求交給進(jìn)程池，進(jìn)程池自動(dòng)選擇一個(gè)空閑進(jìn)程對其進(jìn)行服務(wù)，當(dāng)服務(wù)完畢以后，系統(tǒng)會(huì)回收該系統(tǒng)進(jìn)程。

進(jìn)程池主要應(yīng)用在時(shí)鐘定時(shí)器服務(wù)、中斷服務(wù)和異步IO操作。

異步信號(hào)和異步IO機(jī)制

A-RTOS支持異步信號(hào)機(jī)制，允許在某種情況下COS以異步方式發(fā)送信號(hào)到上層的POS。異步信號(hào)的一個(gè)典型使用就是異步IO。這是由于在 ARINC653的應(yīng)用中,POS中的進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生阻塞性IO請求的時(shí)候,如果IO不是異步的,則此時(shí)該進(jìn)程就會(huì)阻塞,等待系統(tǒng)調(diào)用的返回。但是 COS并不知道POS中的應(yīng)用進(jìn)程的存在,當(dāng)其中的一個(gè)進(jìn)程阻塞的時(shí)候,整個(gè)區(qū)間都會(huì)被阻塞。采用異步IO方式可避免這種情況的發(fā)生。

當(dāng)應(yīng)用請求了阻塞性的IO服務(wù)時(shí)，A-RTOS會(huì)啟動(dòng)稱為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)程來進(jìn)行應(yīng)用請求的IO操作，這就是異步IO機(jī)制。A-RTOS將這種為實(shí)現(xiàn)異步IO操作而創(chuàng)建的系統(tǒng)進(jìn)程稱為worker進(jìn)程。

如圖7，在ARINC653的應(yīng)用中，當(dāng)POS中的一個(gè)進(jìn)程調(diào)用異步IO系統(tǒng)調(diào)用時(shí),該系統(tǒng)調(diào)用檢查此IO是否為阻塞工作方式,如果是，則創(chuàng)建一個(gè) worker進(jìn)程去完成這個(gè)要求的IO工作，并返回一個(gè)AIO_PENDING值到POS。POS檢查到這個(gè)返回值以后,把正在進(jìn)行異步IO調(diào)用的進(jìn)程從就緒隊(duì)列取下放到等待隊(duì)列,然后進(jìn)行重調(diào)度。當(dāng)worker進(jìn)程完成了要求的IO操作時(shí)，即發(fā)送異步信號(hào)到POS，從而喚醒原阻塞進(jìn)程。

圖7 異步IO工作流程示意圖